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平板表面缺陷自动光学检测技术及系统架构

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 表面检测中的常见缺陷

1.3 表面缺陷检测系统发展概述

1.3.1 传统表面检测方法

1.3.2 机器视觉表面缺陷检测方法

1.4 表面缺陷检测系统分析

1.4.1 表面缺陷检测中的图像处理技术

1.4.2 表面缺陷图像实时处理硬件的研究

1.5 表面缺陷检测系统面临的主要问题

1.6 本文研究的主要内容

第二章 表面缺陷检测系统架构

2.1 系统架构的目前研究状况

2.2 检测系统架构的概述

2.3 项目检测系统的要求

2.4 视觉检测的照明与成像

2.5 视觉检测的电气控制

2.6 检测系统软硬件控制原理

2.7 检测系统原型

2.8 本章小结

第三章 缺陷检测的照明及成像分析

3.1 照明光源的分类与特性

3.2 缺陷检测中的照明方法

3.2.1 直接/同轴照明

3.2.2 入射光/透射光照明

3.2.3 明视场/部分明视场/暗视场照明

3.3 视觉检测成像分辨能力分析

3.3.1 光源均匀性和强度分析

3.3.2 材料表面散射规律

3.3.3 相机成像光强分析

3.4 本章小结

第四章 缺陷检测中的图像硬件结构

4.1 多相机的并行采集和传输

4.2 图像的并行处理架构

4.2.1 图像采集卡预处理

4.2.2 图像处理硬件分类

4.3 实际传输速度与计算加速比

4.4 本章小结

第五章 表面缺陷检测图像预处理算法研究

5.1 表面缺陷检测的图像去噪算法

5.1.1 缺陷检测的噪声分析

5.1.2 现有去噪方法分析

5.2 ICA去噪算法

5.2.1 ICA的数学模型

5.2.2 FastICA算法去除噪声

5.3 改进的ICA学习算法

5.4 表面缺陷检测的纹理抑制算法

5.5 奇异值(SVD)分解方法

5.5.1 Householder并行化分解算法

5.5.2 算法结果分析

5.6 本章小结

第六章 表面缺陷检测的图像分割与分类研究

6.1 引言

6.2 主动轮廓模型分割方法

6.3 模型方法的分割效果

6.4 缺陷特征提取

6.4.1 缺陷图像一阶统计矩

6.4.2 缺陷图像二阶统计矩

6.4.3 缺陷图像的不变矩

6.5 SVM缺陷分类方法

6.5.1 模式识别理论

6.5.2 SVM线性分类模型

6.5.3 SVM非线性分类模型

6.5.41-分类方法

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 研究工作总结

7.2 后续研究工作展望

参考文献

附录 1

附录 2

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摘要

随着新工艺和新材料的应用,现在一些材料加工和机械制造领域(如薄膜、纸张、平板材料)中,产品的生产速度和品质得到了很大提高,相应的也给这些产品的缺陷检测带来了很大挑战。如对平板类材料带钢而言,其生产中的检测速度普遍要求在300米/分钟以上,检测精度要求0.5毫米;对于同属平板材料的6th TFT-LCD液晶平板,生产中的检测速度要求3分钟/块,检测精度要求3微米以下。对于这些要求,传统的检测手段受限于材料的性质,检测精度较低,速度较慢。为此论文对高速高精度视觉检测的关键技术进行了研究,包括系统架构的确立与搭建、远程控制处理软件、光照成像模型、混合信号的ICA噪声分离以及缺陷图像的分割与分类等。
  学位论文选题来源于国家863资助项目--精密组装生产线高速高精度并行检测系统(2009AA042114),论文的目的是建立一种对材料性质、缺陷种类、精度和速度要求有普适性的统一的视觉检测技术。为此论文围绕着表面缺陷的高速高精度检测技术开展了系统深入的研究,主要的研究工作和创新点如下:
  (1)研究了表面缺陷并行采集和处理的系统结构,并在背光源和滚筒检测实验装置上进行了验证。系统主要针对大面积和高精度表面进行在线检测,在系统架构中,研究了多台高速线阵相机合并视场成像,并用多台工控机进行图像并行处理的检测方式,同时系统中为实现传输结果和集中控制,还编写了远程控制和性能监视软件。经过验证,在1m/s速度下系统的分辨率可达到10μm。
  (2)研究了基于表面仿真、阴影函数和电磁散射场的表面及缺陷成像规律,应用成像规律提高了采集图像对比度。为了解不同种类材料及表面缺陷下的轮廓起伏程度、相关长度和延伸方向对光线的反射和散射强度产生的影响,仿真了基于谱密度的一维和二维随机粗糙表面模型,研究了修正的遮挡条件概率下随机表面阴影函数,同时应用了Beckmann公式来求解表面电磁散射场产生的空间远场光强度。通过三个部分的联合构建出完整的表面散射模型,从而解决了缺陷成像中散射光强分布与相机正确放置位置问题,提高了缺陷采集图像的对比度。
  (3)建立了无需参数设置的一种缺陷去噪方法,方法对于实验中的不同材料,在噪声源和统计特性未知、图像及噪声混合函数未知的情况下具有较好的去噪效果。该去噪方法基于独立成分分析(ICA)和FastICA方法,同时论文提出了采用ψ-函数作为目标函数和非二次函数共轭梯度迭代的改进FastICA方法进行图像和噪声的盲源分离(BSS)。最后,通过对不同材料采取改变光源角度和亮度、调整相机角度及材料运动速度的情况下进行了成像和降噪实验,验证了盲源分离的去噪效果。
  (4)针对纹理图像的缺陷检测,研究了使用SVD滤除纹理背景的预处理算法,并用GPU进行并行化计算。同时对于材料缺陷同时存在清晰/模糊边界的情况,研究了自适应缺陷轮廓跟踪算法。
  (5)研究了基于1-分类的SVM缺陷分类方法,对分类中不同类样本数目不均衡的情况提高了分类准确率。为更好描述缺陷性质,研究选取了缺陷图像的不同阶矩作为表征缺陷性质的特征参数,使同类缺陷具有尺度、旋转和灰度不变性;同时对于分类中不同类样本数目不均衡的问题,研究了1-分类的方法,提高了缺陷分类的准确率。

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